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公開番号2025114682
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-05
出願番号2025076290,2023076002
出願日2025-05-01,2014-12-22
発明の名称集積MEMSシステム
出願人エムイーアイ・マイクロ,インコーポレーテッド
代理人個人,個人,個人,個人
主分類B81B 7/02 20060101AFI20250729BHJP(マイクロ構造技術)
要約【課題】本発明は、システム・オン・チップ(SoC:System on Chip)またはシステム・イン・パッケージ(SiP)を形成するためのMEMSデバイスとICチップとの集積化を可能にする、3Dシステム(「3DS」)MEMSアーキテクチャを提供する。
【解決手段】集積MEMSシステム1000は、MEMS変換器1170を含む少なくとも1つのMEMSチップ1100と、MEMS処理回路だけではなく補助信号を処理するための追加的な/補助的な回路も含む少なくとも1つのICチップとを備える。MEMSチップおよびICチップは、バンプ接合される。MEMSチップは、第1および第2の絶縁伝導路を含む。第1の経路は、処理のためにMEMS信号を変換器とICチップとの間で伝導し、第2の伝導路は、MEMSチップの全厚を通して延在して、追加的な回路で処理されるべき電力、RF、I/O、などの補助信号をICチップに伝導する。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
集積ＭＥＭＳシステムであって、
－少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップ、および
－少なくとも１つの単一ＩＣチップ
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＭＥＭＳチップが、
－第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組を含む第１のキャップ層と、
－第２のキャップＭＥＭＳ電気接点を含む第２のキャップ層と、
－前記第１のキャップ層と前記第２のキャップ層との間に配置された中央ＭＥＭＳ層と、
－前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層内に形成されて、運動を引き起こすかまたは少なくとも１つのパラメータを検知する、少なくとも１つの変換器と、
－前記少なくとも１つの変換器を前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１の組にそれぞれ接続して、前記少なくとも１つの変換器と前記第１の組の前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点との間で電気的ＭＥＭＳ信号を伝導する、第１の絶縁伝導路と、
－前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第２の組を、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層を通して前記第２のキャップＭＥＭＳ電気接点のうちの少なくともいくつかに接続して、前記ＭＥＭＳチップを通して補助信号を伝導する、第２の絶縁伝導路と、
を備え、
前記少なくとも１つの単一ＩＣチップが、
－第１のキャップＭＥＭＳ電気接点の第１および第２の組にそれぞれバンプ接合されるＩＣ電気接点の第１および第２の組と、
－ＩＣ電気接点の第１の組に動作可能に接続されて前記電気的ＭＥＭＳ信号を処理する、ＭＥＭＳ信号処理回路と、
－前記ＩＣ電気接点の第２の組に動作可能に接続されて、前記補助信号を処理しかつ追加的なシステム機能を提供する、補助信号処理回路と
を備える、集積ＭＥＭＳシステム。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
請求項１に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層が、導電性材料で作られ、前記第１のキャップ層が、前記中央ＭＥＭＳ層の第１の側に電気的に接合されており、前記第２のキャップ層が、前記第１の側とは反対側の前記中央ＭＥＭＳ層の第２の側に電気的に接合されている、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１のキャップ層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２のキャップ層が、ウェハレベルで接合されるそれぞれのシリコンベースのウェハから製作される、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記中央ＭＥＭＳ層が、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハから作られる、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第２の絶縁伝導路が、前記第１の層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成され、前記トレンチが、位置合わせされかつ絶縁材料で満たされており、前記トレンチが、それぞれの導電性ウェハプラグを取り囲み、
前記導電性ウェハプラグが、前記ＭＥＭＳチップの全厚を通した電気信号の伝達を可能にする、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第２の絶縁伝導路のうちの少なくともいくつかが、前記第１の層、前記中央ＭＥＭＳ層、および前記第２の層のうちの１つにエッチングされたトレンチによって形成され、前記トレンチが、位置合わせされており、かつ、絶縁材料で覆われかつ導電性材料で満たされたそれらのそれぞれの側壁を有する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記第１および第２のキャップ層の前記第１および第２のキャップＭＥＭＳ電気接点が、接合パッドである、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの変換器が、６自由度運動センサを含み、前記少なくとも１つのパラメータが、３軸の直線加速度、および３軸の角速度を含む、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項９】
請求項９に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記６自由度運動センサが、前記第１および第２のキャップ層内にそれぞれ設けられた第１および第２の電極の組と、前記中央ＭＥＭＳ層内に設けられた複数のプルーフマスとを含み、前記第１および第２の電極の組が、前記複数のプルーフマスとともにコンデンサを形成し、前記第１の絶縁伝導路のうちのいくつかが、前記第１および第２の電極の組の前記電極を、前記ＭＥＭＳ電気接点の第１の組のうちの少なくともいくつかの前記第１のキャップＭＥＭＳ電気接点にそれぞれ接続する、集積ＭＥＭＳシステム。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載の集積ＭＥＭＳシステムにおいて、前記少なくとも１つの変換器が、少なくとも１つの非慣性センサを含む、集積ＭＥＭＳシステム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、米国特許出願第６１／９２５，３７９号の優先権を主張するものであり、その開示は参照により全体として本特許出願に組み込まれる。
続きを表示（約 3,800 文字）【０００２】
本発明は、センサやアクチュエータなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）デバイスの集積化に関し、より詳細には、集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）およびＭＥＭＳチップを含む集積ＭＥＭＳシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、具体的には、加速度計および角速度センサ、またはジャイロスコープなどの慣性センサが、絶えず増加を続ける用途において使用されている。スマートフォンやタブレットＰＣに内蔵されたカメラのための光学画像安定化（ＯＩＳ：ｏｐｔｉｃａｌｉｍａｇｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）、仮想現実システム、およびウェアラブル電子装置などのＭＥＭＳセンサに対する大衆消費電子製品用途の著しい増加により、従来は遙かに大型でより高価でかつより高等級の非ＭＥＭＳセンサによって提供されていたより先進的な用途にそのような技術を利用することへの関心が高まっている。そのような用途は、工業用途のための単一軸および多軸のデバイス、ナビゲーションシステムおよび姿勢方位基準システム（ＡＨＲＳ：ａｔｔｉｔｕｄｅｈｅａｄｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍ）のための慣性測定装置（ＩＭＵ：ｉｎｅｒｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｉｔ）、空、陸、海の無人の乗り物ならびに個人向けの屋内用ＧＰＳ拒否ナビゲーションのための制御システムを含む。これらの用途はまた、健康管理／医療および運動能力の監視システム、ならびに次世代の仮想現実感のための先進的なモーションキャプチャシステムを含み得る。これらの先進的用途は、市場に出ている既存の消費者向け等級のＭＥＭＳ慣性センサの性能を遙かに超えた、より低いバイアスドリフトとより高い感度仕様とを必要とする場合が多い。これらの市場を拡大するには、また、新規なものを作り出すには、より高度な性能仕様が開発されることが望ましくかつ必要である。低コストかつ小型のセンサおよび／またはＭＥＭＳ慣性センサを使用可能なシステムを製造することも必要である。
【０００４】
加速度計やジャイロスコープなどのＭＥＭＳ慣性センサが通常は従来の機械式ジャイロスコープよりも遙かに小さいことを考えれば、それらのＭＥＭＳ慣性センサはより大きな機械騒音およびドリフトを受け易い。また、位置および姿勢は、加速度データと角速度データを統合することによってそれぞれ計算されるので、騒音およびドリフトは、誤差の増大につながる。したがって、ナビゲーションのような高い精度を必要とする用途に対しては、他の位置および／または方向依存性測定を加えることでＭＥＭＳ運動センサの６自由度（６ＤＯＦ：ｓｉｘ－ｄｅｇｒｅｅ－ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ）慣性性能（すなわち、３軸の加速度、および３軸の角回転）を増補することが、一般に望ましい。そのようなセンサ融合は、より良好な結果を得るのに必須である。
【０００５】
半導体産業の成功の柱は、増大し続けるシリコン集積回路上のデバイスの密度であった。歴史的に、この密度の増大は、フォトリソグラフィおよびエッチングの方法の向上を通して、電子デバイス最小寸法の縮小によって成し遂げられてきた。集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）最小寸法は、一般的には１８０ｎｍ、最新技術としては１０～２０ｎｍのサブミクロン寸法に達した。これらの寸法は、従来の半導体プロセスの限界、具体的にはフォトグラフィ法の光学的限界に近づきつつある。それと同時に、
２Ｄにおける横方向チップ寸法を拡大して従来よりも大きなチップを作ることにより、全体的なチップの機能が強化されてきた。
【０００６】
実際には、パッケージ基板上の電気トレースは、シリコンチップ上のそれらよりも遙かに大きい。この不整合は、ルーティングの難しさ、および過度の電力消費をもたらし、また、シリコン（Ｓｉ：ｓｉｌｉｃｏｎ）インタポーザの導入をもたらしたが、このシリコンインタポーザは、チップ側上には微細な信号分配トレースがパターン付けされ、基板側上には粗い接続部がパターン付けされて、インタポーザを通してそれら２つの間に電気相互接続を有することができる。このＳｉインタポーザを使用する手法は、チップは２Ｄにおいて分配されるがインタポーザは抵抗器やコンデンサなどの受動素子以外のちょっとした付加機能を含むものの第３次元において導入されるので、２．５Ｄと呼ばれる。
【０００７】
シリコン貫通電極（ＴＳＶ：ｔｈｒｏｕｇｈ－ｓｉｌｉｃｏｎｖｉａ）の発達は、個々のＩＣチップが薄型化されかつ積み重ねられる３Ｄ集積回路（３ＤＩＣ：３Ｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）を可能にした。ＩＣプロセスへのＴＳＶ技術の導入は、さらなる複雑さの水準をもたらした。ＩＣプロセスは、通常、ＩＣチップの表面の近くでは数ミクロンに制約され、かつ、微細な特性（ｆｅａｔｕｒｅ）のフォトリソグラフィを必要とするが、ＴＳＶプロセスは、より粗い特性（ｆｅａｔｕｒｅ）であり、かつ、ＩＣの厚さを貫通する。したがって、ＩＣチップの領域は、ＴＳＶ製作のために分離されなければならず、結果的に、シリコン領域の非効率的な使用と、より高いＩＣユニット費用とがもたらされる。さらにＴＳＶは、通常、金属充填され、具体的には銅で充填される。銅は、ＩＣ回路を製作するのに必要とされる温度のために、フロントエンド工程の一部にはなり得ない。したがって、ＴＳＶは、それらが工程の初期に製作される場合には、ポリシリコンで作られなければならず、または、それらが金属で作られる場合には、工程の最後に製作されなければならない。どちらの手法も、通常は高度に制御されかつ変更が困難な半導体プロセスを、より複雑にする。
【０００８】
ますます多くの電気的機能を３ＤＩＣに統合する努力と並行して、ＭＥＭＳを電子装置に統合することが望まれている。ＭＥＭＳは、機械的、光学的、磁気的、電気的、化学的、生物学的、もしくは他の微小な変換器またはアクチュエータを含む、集積回路である。電子デバイスがますます多くの機能を含むにつれて、設計者は、ユーザにフィードバックを提供するためにＭＥＭＳセンサを含む必要がある。例えば、スマートフォンは、スマートフォンの位置、ジェスチャーに基づく命令、ナビゲーション、およびゲームに対して運動情報を提供するために、ＭＥＭＳ加速度計およびジャイロスコープを組み入れている。電子装置がより小型になり、より複雑になり、より集積されるにつれて、ＭＥＭＳ信号を処理するための集積回路を含むシステムチップ内にＭＥＭＳチップを含むことが望まれている。しかし、多くのＭＥＭＳ製作工程とＩＣ製作工程との間には、いくつかの根本的な違いがある。ほとんどのＭＥＭＳデバイスでは、ＭＥＭＳ機械的要素（例えば、プルーフマス、マイクロミラー、マイクロポンプ、感圧膜）は、自由に移動できる必要がある。したがって、ＭＥＭＳ機械的要素を自由にするために製作工程が追加されなければならない。さらに、ＭＥＭＳ変換器はある程度の環境の影響に敏感な設計によるものであるので、ＭＥＭＳパッケージングは、望ましくない環境の影響から変換器を保護しなければならない。このことにより、パッケージは、標準的なＩＣパッケージングで使用されるものよりも複雑なパッケージになる。
【０００９】
ＭＥＭＳ変換器をその検知電子装置ＩＣと統合する努力が、数年来なされてきた。そうした努力には、ＭＥＭＳとＩＣとを並べてパッケージングすること、ＭＥＭＳを直接ＩＣ上に組み立てること、およびＭＥＭＳとＩＣとを積み重ねることが含まれる。これらの手法の欠点は、それらの手法が一般にＭＥＭＳを保護するためのキャップとＩＣへの電気接続を作るためのワイヤ接合とを含む追加的な最終パッケージングを必要とすることである
。このチップスケールのパッケージングは、最終デバイスに相当な費用を上乗せする。ＭＥＭＳ上のキャップはまた、３ＤＩＣ用途のためのチップの積み重ねを、不可能ではないにしても困難にする。
【００１０】
米国特許第８，２５０，９２１号は、集積運動処理ユニットを説明している。アナログでの駆動および検知、フィルタリング、ならびにＡ／Ｄ変換のための独立した関連混合信号チップ（ＡＤＣ）をそれぞれが有するいくつかの個別的なＭＥＭＳセンサが、基板またはシステムボックス内の基板上に実装されている。追加的なチップが、較正、システム制御、電力管理、およびＩ／Ｏのためのシステム基板上に含まれる。個々のチップのパッケージング、基板の製作、チップの実装、および機械的な位置合わせの費用は、この手法を費用のかかるものにし、また、ナビゲーションのような利益率の高い用途に主に有益なものにする。さらに、カバーウェハは、接続性または電子機能を含まずに、単に保護機能を有するにすぎない。
（【００１１】以降は省略されています）

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